半干旱灌溉棉田系统下免耕与覆盖作物对土壤水氮动态及碳固存影响的长期模拟研究

为解决半干旱区棉田土壤有机碳(SOC)固存能力低、水分保持差及风蚀风险高的问题，美国德州农工大学团队采用DNDC模型评估了30年(1991-2020)免耕(NT)结合黑麦/混播覆盖作物对土壤水氮动态的影响。研究表明：R-NT和M-NT处理分别使SOC提升40.2%/59.2%，总氮(TN)增加22.6%/25.8%，且不影响籽棉产量，为半干旱区可持续棉作提供理论支撑。

　　

在广袤的美国南部高平原(Southern High Plains, SHP)，粗质地的阿马里洛细砂壤土(Amarillo fine sandy loam)正面临严峻挑战——由于半干旱气候、传统耕作(CT)导致的土壤裸露，以及棉花(Gossypium hirsutum L.)连作消耗，这里的土壤有机碳(SOC)含量持续下降，水分保持能力薄弱，风蚀风险居高不下。这种恶性循环不仅威胁着"棉花带"的农业可持续性，更可能通过碳排放加剧气候变化。面对这一困局，德州农工大学农业高级研究与推广系统中心(Agricultural Complex for Advanced Research and Extension Systems, Ag-CARES)的研究团队开展了一项开创性研究，他们借助脱氮-分解(DNDC)模型这把"数字显微镜"，首次揭示了覆盖作物与免耕(NT)技术在半干旱灌溉棉田中的长期生态效益。

研究团队采用DNDC模型这一生物地球化学模拟利器，通过校准期(2014-2017)和验证期(2018-2020)的田间实测数据（包括籽棉产量、黑麦生物量、土壤水分等）对模型进行优化。重点模拟了三种处理：传统耕作(CT)、免耕+黑麦覆盖(R-NT)、免耕+混播覆盖(M-NT，含黑麦、毛野豌豆、萝卜和冬豌豆），通过30年(1991-2020)的长期模拟，系统评估土壤水氮动态和碳固存效应。

种子棉花产量和覆盖作物生物量

模型校准显示，籽棉产量模拟误差仅2.1%（校准期）和-4.4%（验证期），黑麦生物量误差为4.5%和-8.8%。长期模拟表明覆盖作物处理虽增加产量波动性，但未显著降低棉花产量，打破了"覆盖作物必然减产"的固有认知。

土壤有机碳和总氮

R-NT和M-NT分别使0-30cm土层SOC增加40.2%和59.2%，TN提升22.6%和25.8%。混播覆盖的"协同效应"尤为突出，多种作物残体输入显著促进了碳氮耦合循环。

土壤水分动态

尽管覆盖作物在生长期消耗水分，但春季降水/补充灌溉能有效恢复墒情。NT处理通过减少蒸发使土壤含水量比CT提高15%，证实了"以空间换时间"的水分调控机制。

这项发表在《Solid Earth Sciences》的研究具有三重里程碑意义：首先，首次量化了半干旱区覆盖作物对SOC的长期累积效应（年均固碳速率达0.4-0.6Mg C ha^-1 yr^-1）；其次，揭示了混播覆盖比单一黑麦更具碳氮协同增益；最后，建立了DNDC模型在棉田系统的适用性标准（d-index>0.9，R²>0.85）。研究为全球干旱区制定"碳中性"棉作方案提供了关键参数，其揭示的土壤-作物-微生物互作机制，对应对日益严峻的粮食-水-能源纽带(Water-Energy-Food Nexus)挑战具有深远启示。正如通讯作者Srinivasulu Ale强调的："这项研究证明，通过智能设计覆盖作物系统，我们完全可以在不牺牲产量的前提下，将棉田转变为重要的碳汇。"